电子对抗原理 2 雷达系统结构和工作原理

无线电频率资源 雷达波段习惯称法 P波段 1GHz HF VHF UHF现A B波段L波段 1GHz 2GHz现C D波段S波段 2GHz 4GHz现E F波段C波段 4GHz 8GHz现G H波段X波段 8GHz 12GHz现I J波段Ku波段 12GHz 18GHzK波段 18GHz 27GHzKa波段 27GHz 40GHz 8mmV波段 40GHz 75GHzW波段 75GHz 110GHz 3mm毫米波 110GHz 300GHzTHz 300GHz 1THz 大气吸收与频率的关系 大气天顶衰减与地面水汽密度的关系 斜路径大气衰减f 23 75GHz 目标反射电磁波 脉冲 发射电磁波 雷达系统结构与工作原理 雷达系统结构和基本工作原理频率综合器发射机天线接收机信号处理机雷达终端监控设备 1雷达系统结构和基本工作原理 发射天线 接收天线分置结构图采用T R开关雷达 磁控管发射机 结构图采用环行器雷达 主振放大式发射机 结构图 Daventry试验示意图波束方位30 俯仰10 波长49m 采用T R开关雷达 T R开关 快速转换开关 保护接收机免受发射机泄漏能量的损坏发射时 大部分能量传输到天线 通过TR1和TR2的小部分泄漏能量被假负载吸收接收时 微弱信号通过TR1和TR2传输到接收机 TR为宽带接收机保护放电管 雷达显示器 A型和A R型 PPI型 一种典型的雷达系统原理框图 2频率综合器 为雷达系统提供各种定时信号和相参频率信号为发射机提供具有一定载频和波形的射频激励信号 为接收机提供本振和正交相位检波信号是雷达系统实现接收与发射相参的关键 频率源分类 自激振荡源晶体振荡器 腔体振荡器介质振荡器 压控振荡器等合成频率源直接模拟式 对基准频率进行各种各样的加减乘除间接模拟式 利用模拟锁相环锁定VCO来实现频率合成直接数字式 使用数字技术完成频率和波形的合成间接数字式 由数字锁相环构成 包含数字分频器和数字鉴相器 模拟合成法 用振荡器 如VCO 和锁相环 PLL 等器件实现 生成信号的杂波成分多 频谱纯度低 频率分辨率与频率转换时间的矛盾始终难以解决 数字合成法 具有频率转换时间短 频率分辨率和相位分辨率高 体积小等优点 间接模拟合成法 用振荡器 如VCO 和锁相环 PLL 等器件实现 数字合成法 存储器 D A产生一定波形信号DDS产生一定波形信号 DDS结构 DDS加锁相环 DDS加锁相环和倍频器 频综主要指标 频综主要指标有 标称频率 频率精度 频率范围 输出信号带宽 频率间隔 频率捷变时间 频率稳定度 相位噪声 杂散 输出功率和波形种类等标称频率 频综输出信号的中心频率的标称值频率精度 频综输出频率在室温 25 C 下相对于标称频率的偏差频率范围 频综输出信号频率的范围频率分辨率频率捷变时间 频综从一个频率跳变到另一个频率所需要的时间 该时间越短 频综的跳频速度越快 频率稳定度 在指定温度范围内频综输出频率相对于25 C测量值的最大允许频率偏差 一般表示成相对值 频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度输出信号带宽指频综输出信号的3dB频域宽度相位噪声 表示振荡器频谱纯度的性能参数 通常定义为载波发生某一频率偏移时在1Hz带宽内的相对于载波的单边带功率密度 单位为dBc Hz杂散 频综输出信号中包含不需要的非规则的随机的频率分量 单位为dBc谐波 单位为dBc 振荡器的输出频谱 相位噪声和杂散频域测试结果 相位噪声影响示意 锁相环相位噪声的计算 N为倍频系数 为基准信号的相位噪声 为锁相环路对输出信号的附加噪声 3天线 天线是一个导波和辐射波的换能器 在发射时 天线把发射机送来的高频电流变换成辐射波并将辐射能量集中到所要求方向的赋形波束内 在接收时 天线接收回波信号中所含能量 把它转变为高频电流输送给接收机 圆抛物面天线三维立体方向图 切面方向图 天线参数 方向图 主瓣宽度与副瓣电平方向性系数功率增益有效口径与口径效率极化 水平 垂直 右 左 圆极化 椭圆极化输入阻抗 一般雷达 通信设备所用天线的输入阻抗为 驻波比 SWR R为反射系数天线带宽 天线增益比在中心频率时的天线增益下降3分贝范围内的频率范围 也有定义天线的驻波比不超过1 5的频率范围为天线的带宽功率容量互调是由天线本身的非线性造成的 互调可分为二阶 三阶和三阶以上互调 三阶互调影响最大 天线参数 续 半波振子天线及其方向图 垂直八元阵方向图 八木天线 图2 11八木天线示意图 具有结构轻巧 制作架设简单 经济适用等优点 喇叭天线 喇叭天线结构简单 调整使用方便 可以作为独立的天线 更多作为其它天线的馈源 平板型天线 基站天线应用最为普遍的是平板型天线 抛物面反射器天线 反射面天线由馈源与反射构成 馈源的主要作用是辐射 反射面的主要作用是形成期望的方向图 常用的反射面由导电良好的金属材料制成 反射面的形状可为平面或曲面 应用广泛的是各种抛物面天线 馈源置于抛物面的焦点上 对着反射面 主要利用了抛物面的光学性质 卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一个双反射系统 它由三部分组成 主反射面 副反射面和馈源主面为旋转抛物面 焦距为f 焦点为F副面一般为双曲面 其虚焦点与F重合 实焦点Fp在主面顶点附近 双曲面上任一点到两焦点的距离差等于常数使用卡塞格伦天线 馈源可以放在反射面的后面 从而避免了口径阻挡 同时 减小了传输线的长度由于等效抛物面的焦距比普通抛物面的大 为长焦抛物面天线 所以其口径场比较均匀 可提高口径利用率 电子扫描天线 电子扫描方式主要分为3种 相位扫描 频率扫描和数字波束形成 DBF 辐射单元按一定形式排成阵列 如果辐射单元在一条线上排列 称为线阵 如果在二维上排成阵列 称为面阵 相位扫描原理图 智能天线 频谱资源越来越紧张 采用时分多址 TDMA 频分多址 FDMA 和码分多址 CDMA 技术可提高频谱的利用率 但仍然无法满足人们对频谱资源的需求 从空域来提高频谱利用率已成为需要 智能天线就是在此基础上提出来的一种新型天线系统 DBF系统的基本原理图 天线单元阵列接收模块A D变换器数字波束形成器 稀布阵雷达VHF波段发射1个圆阵 25个窄带全向发射天线 每个10KHz带宽 共250KHz 接收1个圆阵 48个全向接收天线 带宽250KHz RIAS SIAR byJaquesDorey 1986 SpaceFrequency orthogonalcoding 4接收机 作用是在杂波 噪声和各种干扰中放大所需回波信号 使输出信号与干扰功率之比达到最大 并把所需信号放大到能把目标信息显示给操作员 或放大到便于信号处理机检测的电平 分为超外差式 直接变频接收机 又称零拍接收机 等类型 超外差式雷达接收机具有灵敏度高 增益高 选择性好和实用性广等优点 在雷达系统中得到广泛应用 超外差式雷达接收机的主要组成 射频部分 又称为接收机 前端 包括接收机保护器 低噪声放大器 混频器和本机振荡器 中频部分 包括中频滤波器和放大器 视频部分 包括正交相位检波器 低通滤波器和视频放大器 超外差式接收机原理框图 超外差式接收机射频部分 主要由接收机保护电路 低噪声放大器 混频器等部分组成 简称为接收机 前端 如系统无频率综合器 本机振荡器 LO Localoscillator 可放在接收机内 超外差式接收机中频部分 包括中频滤波器 中频放大器和中频衰减器 中频信号放大之前一般应经过中频滤波以减少不需要的频率分量 抑制带外干扰 中频放大器的输出 除了需要的频率分量外 还有其它不需要的成分 也需要通过中频滤波器予以滤除 超外差式接收机视频部分 包括相位检波器 低通滤波器和视频放大器 正交相位检波信号频率等于中频 2路信号要求幅度相等 相位相差90度 输出同相 I 和正交 Q 两路信号 理想情况下 要求I Q两路信号正交 即幅度相同 相位相差90度 由于相位检波器 低通滤波器和视频放大器采用模拟器件 很难保证两个通道的一致性 I Q两路信号的正交性不够好 导致镜频抑制比不够高 一般在60dB以下 数字化接收机 数字化接收机主要有2种 全数字化中频数字化全数字化接收机没有中频 射频信号放大后直接进行A D变换和数字下变频 DDC 受A D转换速率的约束 全数字化接收机工作频率一般在几GHz以下 数字中频接收机结构仍是超外差型 先由模拟频率变换把RF信号变到较低的中频 IF 然后在此中频上进行数字化 再用数字处理技术实现下变频 数字中频接收机原理框图 问题 上图有什么问题 数字中频接收机原理框图 数字接收机与模拟接收机相比有以下优点 适应性好线性动态范围宽 对窄带信号可到90dB以上理想正交性 I Q两路信号的正交性好传输无误差 数字传输低成本 测试方法 AD后数据做FFT DDC后数据做FFT红色和兰色对应不同的通道 信道化接收机 由具有相同带宽的若干子信道按频率从低到高的顺序排列起来所组成 在频域覆盖很宽的范围 且中间没有漏缺子信道带宽越窄 子信道的数量就越多 频率精度就越高 设备量也随之增加这种多信道可以通过高频电路形成还可以通过什么方式形成 信道化